基于高階思維培養(yǎng)的初中物理拓展教學(xué)
——以電磁繼電器為例

沈偉云

（嵊州市教育體育局教研室，浙江 紹興 312400）

高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次的心智活動(dòng)或較高層次的認(rèn)知能力.［1］高階思維在初中物理學(xué)習(xí)中具體表現(xiàn)為分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造.初中物理拓展性教學(xué)既是實(shí)施深度學(xué)習(xí)的需要，也是發(fā)展學(xué)生高階思維的重要途徑.教師可基于初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，通過(guò)圍繞某個(gè)主題增補(bǔ)或延伸與教材相關(guān)的資料素材開展拓展性教學(xué).

電磁繼電器是利用電磁鐵來(lái)控制工作電路的一種自動(dòng)開關(guān)，是初中物理的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，在日常生活和科技方面有著廣泛的應(yīng)用.在初中科學(xué)教材中，僅介紹了電磁繼電器的基本原理和簡(jiǎn)單應(yīng)用.為此，拓展延伸電磁繼電器的教學(xué)，不僅有助于加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新意識(shí)，而且也有利于學(xué)生高階思維的發(fā)展.

1 分析表達(dá)，培養(yǎng)學(xué)生邏輯性思維

分析就是將研究對(duì)象分離成幾個(gè)部分，找出這些部分的本質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系.［2］推理是從一個(gè)或幾個(gè)已知判斷得出另一個(gè)新判斷的思維過(guò)程.［3］教師可以電磁繼電器的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)設(shè)問題情境，先讓學(xué)生實(shí)地體驗(yàn)或通過(guò)視頻觀看其工作過(guò)程，然后引導(dǎo)學(xué)生遷移應(yīng)用物理知識(shí)分析表達(dá)其工作過(guò)程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的說(shuō)理能力，發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理思維.

如電梯設(shè)置的超載自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作原理（如圖1 所示）.先用視頻形式呈現(xiàn)“當(dāng)電梯超載時(shí)，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)鈴聲響起”情境，許多學(xué)生都有豐富的生活經(jīng)驗(yàn)，但很少去究其所以然.一旦把該情境與學(xué)生的物理學(xué)習(xí)相聯(lián)系，就會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生也很愿意進(jìn)行分析推理：當(dāng)電梯超載時(shí)，電梯底架的壓敏電阻由于受到的壓力增大，導(dǎo)致電阻減小，致使控制電路中的電流變大，電磁鐵磁性增強(qiáng)，銜鐵被吸引，繼電器的動(dòng)觸頭K與B靜觸點(diǎn)接觸，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電路斷開，電鈴工作，發(fā)出鈴聲.同樣也可引導(dǎo)學(xué)生分析電梯載重正常時(shí)的情況，即此時(shí)壓敏電阻較大，使得控制電路電流較小，電磁鐵磁性較弱，無(wú)法吸引銜鐵，繼電器的動(dòng)觸頭K與A靜觸點(diǎn)接觸，電動(dòng)機(jī)M 正常工作.

圖1 超載自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

又如分析小區(qū)控制車輛出入的自動(dòng)控制閘，如圖2所示，該自動(dòng)控制閘現(xiàn)在小區(qū)、單位都較為普遍，控制著車輛進(jìn)出.教師可在學(xué)生交流討論的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生作出如下推理：當(dāng)車牌被識(shí)別后，開關(guān)S閉合，綠燈亮，電磁鐵產(chǎn)生磁性，把鐵柱向下吸引，杠桿AB繞著支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，欄桿被抬起來(lái)，車輛通行.而車輛若識(shí)別不成功則相當(dāng)于開關(guān)S斷開，電磁鐵不能產(chǎn)生磁性.

圖2 控制車輛出入的自動(dòng)控制閘

電磁繼電器的應(yīng)用在實(shí)際生活中很普遍，如家用燃?xì)鈭?bào)警器、恒溫箱電路，電子秤等等.教師可鼓勵(lì)學(xué)生積極挖掘生活素材，增進(jìn)實(shí)踐體驗(yàn)，以此來(lái)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，踐行“讓物理走進(jìn)生活”的課程理念，組織學(xué)生交流與討論，引導(dǎo)學(xué)生分析說(shuō)理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維.

2 交流評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維

思維的批判性是指思維過(guò)程中善于嚴(yán)格地估計(jì)思維材料和精細(xì)檢查思維過(guò)程的良好品質(zhì).［4］在開展課外拓展性實(shí)踐活動(dòng)中，教師可組織學(xué)生設(shè)計(jì)、制作“電磁繼電器”科技作品，對(duì)于設(shè)計(jì)的方案、作品質(zhì)量，可組織學(xué)生交流評(píng)價(jià)，以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)完善，發(fā)展學(xué)生的批判性思維.

如疫情期間為了確保體溫正常的師生進(jìn)入學(xué)校，研究性學(xué)習(xí)小組嘗試制作“智能門禁”的科技作品.為此，在學(xué)生交流討論的基礎(chǔ)上，制定了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①體溫正常、人臉識(shí)別成功，門打開；②體溫異常，人臉識(shí)別成功，門不打開，警示燈亮；③不管體溫正常與否，人臉識(shí)別失敗，門不打開、燈不亮.若以開關(guān)S1表示體溫，S2表示人臉識(shí)別.以此對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的3個(gè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià).如圖3 方案所示，若體溫正常，開關(guān)S1閉合，磁鐵產(chǎn)生磁性，吸住銜鐵，由于人臉識(shí)別成功，開關(guān)S2閉合，電動(dòng)機(jī)工作，門打開，符合標(biāo)準(zhǔn)①.同理分析標(biāo)準(zhǔn)②也符合.若體溫異常則表示S1斷開，人臉識(shí)別失敗表示S2斷開，分析可知電動(dòng)機(jī)不工作，警示燈亮，不符合③要求.如圖4符合要求.如圖5 當(dāng)體溫正常S1閉合，不管人臉識(shí)別成功或失敗，此時(shí)門都打開，開關(guān)S2不起作用.在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，教師要及時(shí)提供幫助和指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生把方案轉(zhuǎn)化為有形的科技產(chǎn)品，也即“智能門禁”.對(duì)于智能門禁，教師也可組織學(xué)生進(jìn)行自評(píng)、他評(píng)，圍繞“實(shí)用、美觀、創(chuàng)意”等內(nèi)涵開展多元評(píng)價(jià).

圖3 “智能門禁”設(shè)計(jì)方案1

圖4 “智能門禁”設(shè)計(jì)方案2

圖5 “智能門禁”設(shè)計(jì)方案3

又如以圖1所示的“電梯超載自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”為例，也可組織學(xué)生進(jìn)行交流評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生提出質(zhì)疑，如有學(xué)生提出，若該報(bào)警系統(tǒng)只在電梯超載嚴(yán)重時(shí)才響起鈴聲，這該如何改進(jìn)？ 減小電源電壓.同樣也可組織學(xué)生對(duì)圖2“小區(qū)控制車輛出入的自動(dòng)控制閘”進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出問題，如有學(xué)生提出若欄桿無(wú)法抬起怎么辦？ 更換電池，或滑動(dòng)變阻器滑片向上移動(dòng).

在交流評(píng)價(jià)過(guò)程中，既要肯定學(xué)生的正向評(píng)價(jià)，指出其優(yōu)點(diǎn)，也要引導(dǎo)學(xué)生敢于質(zhì)疑，善于提出問題，鼓勵(lì)學(xué)生不斷完善設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生批判性思維品質(zhì).

3 設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維

創(chuàng)造性思維是以新穎、開創(chuàng)性的方法去解決問題的一種思維過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生遷移運(yùn)用知識(shí)去解決問題的能力.［5］教師可通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐目標(biāo)，提供材料元件，提出操作要求，引導(dǎo)學(xué)生按要求連接電路設(shè)計(jì)方案，以此培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維品質(zhì).

如設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能電池板給LED 路燈供電的自動(dòng)控制電路.教師可提供給學(xué)生相應(yīng)的電學(xué)元件，提供資料讓學(xué)生大致了解相關(guān)元件的性能，如光敏電阻R的阻值是隨著光照的增強(qiáng)而減小.在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)要求：白天時(shí)太陽(yáng)能電池板與蓄電池構(gòu)成閉合電路，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池中.傍晚時(shí)蓄電池與LED 路燈構(gòu)成閉合電路，路燈發(fā)光.通過(guò)學(xué)生交流與討論，設(shè)計(jì)如圖6所示的電路圖.

圖6 自動(dòng)化智能控制的街道路燈

又如設(shè)計(jì)消防應(yīng)急燈電路，教師可先提出要求：平時(shí)應(yīng)急燈是熄滅的，一旦發(fā)生停電，消防應(yīng)急燈就會(huì)正常發(fā)光.引導(dǎo)學(xué)生遷移運(yùn)用電磁繼電器知識(shí)設(shè)計(jì)如圖7所示電路.

圖7 消防應(yīng)急燈電路

方案設(shè)計(jì)好之后，教師不應(yīng)停留在“紙上談兵”狀態(tài)，而是要鼓勵(lì)學(xué)生在課后積極開展實(shí)踐活動(dòng)，小組合作，動(dòng)手操作，把方案物化成具體的實(shí)際電路，解決真實(shí)問題，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造性思維品質(zhì).

在物理拓展性教學(xué)中，對(duì)于分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維的培養(yǎng)，不是截然分開的，而是緊密聯(lián)系在一起的.如在制作一項(xiàng)電磁繼電器作品時(shí)，首先要對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)方案、動(dòng)手操作，再對(duì)其作品開展評(píng)價(jià)，不斷完善改進(jìn)，整個(gè)過(guò)程都融合著分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造思維.為此，基于電磁繼電器的拓展教學(xué)，不僅能豐富初中物理課程教學(xué)資源，加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解，開展深度學(xué)習(xí)，而且有助于學(xué)生解決問題的高階思維能力的發(fā)展.